某商業樓改造過程剪力墻拆除順序對結構的影響

耿慶和 陳景山 董磊磊

(山東省建筑設計研究院，濟南 250001)

1 引 言

某商業綜合樓位于濟南市泉城路南側，為地上15層、地下2層的框架-抗震墻結構。1995年3月設計，1997年竣工，使用至今。現由于功能調整，地下2層到5層不再設置電梯1(DT1)，并對DT1井道進行封堵作為其他用途，6層及以上DT1繼續使用，如圖1所示。針對此功能調整，制定了兩種改造方案：①電梯井混凝土剪力墻Q1～Q3自基礎頂至屋頂全部拆除，如圖1(c)所示；②僅拆除基礎頂至5層頂的Q1～Q3，6層以上剪力墻保留，如圖1(d)所示。

考慮到施工過程中的先后順序及難易程度制定了三種拆除順序：①Q1～Q3自下而上拆除；②Q1～Q3自上而下拆除；③先自下而上拆除Q1、Q2，然后自上而下拆除Q3。

本文通過施工順序模擬和結構實際受力分析，比較了幾種改造方案和拆除順序的優劣，最終采用了改造方案2和拆除順序3。為了便于分析，本文中所有截圖均為邊榀四跨，如圖1所示。

2 改造方案對比

方案1具有以下優點：①結構受力明確，便于計算；②結構概念清晰，避開了拆除交界處的梁作為轉換梁使用；③減小了結構整體剛心和質心的偏置；④避免了6層以上剪力墻作為深懸臂構件與轉換梁之間的協調變形。但方案1也存在以下缺點：①剪力墻全部拆除后對結構整體剛度影響較大，結構構件位移角有較明顯變化；②拆除量大，對原結構破壞范圍大[2]；③加固范圍大、造價高、工期長；④影響DT1在6層以上的正常使用。

圖1 電梯拆除示意Fig.1 Illustration of the elevator remoue

方案2具有工期短、造價低、拆除量小、加固范圍小、對原結構破壞小，結構抗側體系改變小；缺點是豎向構件不連續，計算分析工作量較大。

本文采用SAP2000模擬拆除過程[1]，圖2為整體模型在改造范圍的局部截圖。以柱1和梁1(圖1(a)、圖4)為例，比較了改造前后構件在5～7層A端支座和柱頂處的內力(標準“恒+活”工況下)，如表1、表2所示。

圖2 SAP模型示意Fig.2 SAP model

圖3 梁、柱位置示意Fig.3 Beam and column position

表1梁1在A端處的內力

Table1Internalforceofbeam1atA

梁15層改造前方案1方案26層改造前方案1方案27層改造前方案1方案2彎矩/(kN·m)35.6-10.2-76.444.2-4.6-205.854.723.5-153.7剪力/kN16.9-40.1-71.524.4-37.8-184.430.4-31.9-136.4

表2柱1頂部內力

Table2Internalforceatthetopofcolumn1

柱15層改造前方案1方案2改造前6層改造前方案1方案2改造前7層改造前方案1方案2彎矩/(kN·m)-110-65-46.5-126-75-20.9-113-6594.6剪力/kN-60.5-35.6-12.4-67.5-39.80.8-46.9-26.648軸力/kN2 8784 0803 9302 6453 7203 5372 4003 3323 034

對比表1、表2數據可知，方案1中梁的變化幅度較小，但在7層處受力方向發生變化，分析原因是DT1剪力墻全部拆除后，結構發生內力重分布，導致柱1及DT2與Q1、Q2相交處墻的軸力均變大，使得相應的柱和剪力墻的軸向變形變大，7層以上柱的壓縮變形幅度大于剪力墻變形幅度較多[3]，故7層以上梁1在A端是梁底部受拉，而在6層以下柱的變形幅度相對于剪力墻變小，故6層以下梁1在A端是梁頂部受拉。

方案2在6層處梁內力最大，原因是此處梁起到了轉換的作用，梁負彎矩自6層往上遞減，并逐漸變號，原因是墻拆完后，剩下的墻類似于一懸臂深梁，在靠近6層處的剪力墻向下撓曲，且變形幅度大于柱1變形，柱1給懸梁起到了支援作用，故梁1在A端負彎矩較大；向上隨著懸臂剪力墻高度的變大及荷載的減小，懸臂剪力墻的變形又小于了柱1的變形，懸臂剪力墻對柱1起到了支援作用，故隨著樓層的增加，梁1在A端的彎矩符號發生了變化。6層以下的內力變化不大，柱1和保留的剪力墻都對梁起到了支撐作用。

結合圖4各工況下結構的變形圖可以驗證以上論述。

由圖4還可以發現，方案2的結構側移要大于方案1，原因是方案2中上部剪力墻和下部剪力墻的重心不重合，使剪力墻在豎向荷載作用下產生彎曲變形，從而導致結構產生側移。表3列舉了柱1和Q4(圖1)在基底的支座反力。比較發現方案2中柱1反力相對于方案1較小，Q4的反力稍大于方案1，可見兩種方案對基礎的影響相近。

圖4 各方案下的側向變形圖Fig.4 The horizontal deformation pattern of different plans

表3基底反力

Table3Reactionforceatthebase

構件柱1改造前方案1方案2Q4改造前方案1方案2反力/kN4 4006 1006 00711 20011 70012 500

通過以上比較，兩種方案對結構的整體受力影響都較大。但是考慮到拆除的工作量、施工工期、造價、施工難易程度、對原結構破壞程度等因素，最終選擇改造方案2。圖5、圖6為經方案2改造后的結構布置，圖5中斜線填充區域為新增梁段，為了便于新增梁支座鋼筋的錨固，分別在梁端部增加了框架柱[4,6]。

3 拆除順序選擇

分析過程中采用SAP2000模擬了拆除順序對結構構件的影響，按照一層一個施工工序，拆除順序1(自下而上拆除Q1～Q3)和拆除順序2(自上而下拆除Q1～Q3)劃分為7個施工步驟；拆除順序3劃分為14個施工步驟，其中第1～7步是自下向上拆除Q1、Q2，第8～14步是自上向下拆除Q3。以圖3所示梁1為例，比較各施工階段梁1的A端內力變化。

圖5 地下2～6層結構布置圖Fig.5 Structure layout form -2nd to 6th floor

圖6 7層至屋頂結構布置圖Fig.6 Structure layout from 7th floor to roof

圖7-圖10分別是三種拆除順序在每個施工步驟下4～7層處梁1的內力變化，得出以下結論：

(1) 4層和5層的線型相似，三種拆除順序均有內力的突變；6層和7層的線型相似，僅拆除順序2和3有明顯的內力突變。

(2) 拆除順序2和3在內力突變以前及以后的內力變化幅度小于順序1。

(3) 拆除順序1的內力極值及內力突變處均為本層剪力墻拆除時產生的；拆除順序2和3的內力突變發生在本層剪力墻拆除時，內力極值發生在上一層剪力墻拆除時。

(4) 三種拆除順序的最終內力基本一致，其中拆除順序2和第8步以后的順序3變化趨勢及數值基本一致，Q3是整個拆除過程的關鍵。

(5) 以6層為界限(剪力墻拆除截止處)，-1～5層的內力變化同圖7、圖8相似，6層至屋頂的內力變化同圖9、圖10相似。

圖7 四層處梁1的A端內力Fig.7 Internal force of the beam 1 in the fourth floor

圖8 五層處梁1的A端內力Fig.8 Internal force of beam 1 in 5th floor

通過以上分析，可以發現拆除順序1和2的每一個施工步驟都對構件的受力產生了較大的影響，在施工之前需對全樓進行加固，但是-1～6層的加固只有在拆墻的前提下才能有工作面進行，所以兩者之間存在矛盾，施工難度較大。相比而言，施工方案3在第8步之前即5～6層之間的Q3拆除之前，構件的內力變化較小，經驗算均在現有結構構件的承載力范圍內，故在第8步之前的各個施工步驟中，不需要對整樓進行全面加固[7]，只需要加固本層的構件使之能滿足第8步以后及正常使用過程中的承載力要求，待-1層至屋面所有的樓層加固完成并形成強度后再進行第8步以后的拆除任務，保證了結構的安全同時減小了施工的難度和工作量。故本工程在改造過程中選擇拆除順序3。

圖9 六層處梁1的A端內力Fig.9 Internal force of beam 1 in 6th floor

圖10 七層處梁1的A端內力Fig.10 Internal force of beam 1 in 7th floor

為了更進一步保證結構的安全，在5～6層之間的Q3拆除之前，要求施工單位在Q3上橫向切開一道2 cm的縫隙，觀察整個結構的變形及檢查加固后的構件是否產生了破壞，在所有的安全隱患排除之后再進行Q3的拆除。

4 結 論

本文以實際工程為例進行分析，得出以下結論：

(1) 對現有結構進行改造要充分考慮施工工序對結構構件受力的影響，并對其進行加固；不能僅僅以改造完成后正常使用過程中的受力作為加固的依據。

(2) 結構在改造過程中應盡量避免或減小對結構原有的抗側力體系的破壞。

(3) 改造過程中充分考慮鋼筋的錨固，創造條件滿足鋼筋的錨固要求。

(4) 改造方案首先要保證結構受力合理、安全，在此基礎上綜合考慮工期、造價和施工難度等問題。

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[ 2 ] 中華人民共和國建設部.GB 50367—2006混凝土結構加固設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2006.

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